水波泵研制的流体力学理论与设计计算

1、水波泵研制的流体力学理论与设计计算应用力学报水波泵研制的流体力学理论与设计计算刘英学陶毅刘高 联（上海大学上海200072）（上海应用技术学院上海200235）波增压 器和水锤泵功能的全新的水泵，它通过合理利用水波动力的特殊性 质，将来流中的总体能量进行重新分配，使一部分来流水提高到所需 的高压力，而其余部分水则降到较低的压力，即完成一个大多数能量 向部分来流水转移的过程。该泵的研制对于充分开发和利用自然水力 资源或工业与民用水循环系统的废弃能量，具有良好的经济价值及社 会效益。文中在介绍水锤泵工作原理的基础上，分析了水击动力现象 的产生和利用方法，再通过流体力学理论研究与计算，得出了水波泵

2、一系列有用的设计参数，设计计算表明，水波泵的设计研究在流体动 力学理论研究和运用具有突破性的意义，并达到预期的效果。引言自18世纪中后期，人们通过对流体力学理论的理解，研 究生产出水锤泵。水锤泵是一种将水在流动中，因流速突然发生改变 时出现的一种动力（水击）一种对容器和输送管道具有的破坏性 作用的动力）现象的能量，转化为可利用的能量，使之对流水的能量 进行重新分配，即将具有中压的水流分解为：一小部分具有高压能量 另外的大部分水流仅具有低压力的机械装置。显然，这一成果既对具 有一定能量的水力资源，进行了初步的能量转换与开发利用，又丰富 了水泵系列产品，并且让人们进一步认识了流体力学理论的奥妙。但

3、是，由于水锤泵在机械设计中，主要依靠两只活动水阀的开 启与关闭，对流体产牛.瞬时的压缩与膨胀的流体波动现象来实现对部 分流体做功，提高部分来流的能量，即只能间歇性地供水，且这两只 频繁开关的水阀极容易损坏，同时又产生很大的噪声，且工作效率比 较低，导致产品难以推广应用，至今很难再找到其应用的地区与部门。众所周知，水泵是一种将电能或其它动力转化为机械能，再由 机械能转化为流体的势能和动能的流体机械。它的功能与效率不仅仅 取决于所选择的材料的技术性能，更需要对流体力学理论有深刻的认 识与理解。近年来，由于我国从事泵科研的技术队伍与能力以及泵类 制造厂家的价值取向和经济状况所定，我国学者在泵性能研究

4、方面， 极少为自主开创性的研究，而多是跟踪性和仿造性的研究。缺乏研制 新型泵的创新精神，也缺乏对泵的内部流动和性能进行全面研究的动 力。加之流动实验设备昂贵、运行费用较高，使用场合容易受到限制, 也导致我国科研工作考很难开展对泵的内部流动的研究，从而制约了 这一领域研究的发展，反过来，也制约了泵技术和新型泵研制能力的 发展。文献7建议将传统的水锤泵与气波增压器两基金项冃：上海 市科委科技发展基金资助项目（项目编号oozf14023）来稿日期： 20030916修回日期：2004第一作考简介：刘英学，男，1955年生, 教授，上海大学应用数学和力学研究所1者的工作原理结合起来，研 究一种新型的水

5、力机械，从而为水波泵的研制提出了崭新的思路。近 两年来，笔者对此进行了较深入的研究，水波泵的设计大大克服了水 锤泵与气波增压器各自的缺陷。本文扼要介绍它的流体力学理论与计 算方法。水锤泵的工作原理为便于了解水波泵的构想，有必要先介绍水 锤泵及工作原理。所谓水锤泵其实是市一条长10 20米的（来流）压 力管，1个具有两个水阀（即锤击阀a和压力阀b）的工作室，空 气室和压力出水管组成。水锤泵的工作大致分为两大动作，见图1： 当手动开启阀门a,由于工作室与来流压力管存在一定的压力差h, 导致工作室内的水自a处喷流而出。由于压力管来流的不断补充， 且保持不变的压差，可以形成一定往外喷射的流速。此时，空

6、气室内 的压力明显高于工作室，故阀门b处于关闭状态。但在工作室内水 流外泄的过程中，阀门a会被往外喷射的水带动而逐渐抬高，以至 于关闭阀门a,导致系统喷射的水流突然停止，此时流速突然变为零, 由于惯性作用，压力管来流水仍不断补充，迫使工作室内的流体压缩, 压强急剧上升，甚至导致工作室器壁弹性变形，即产生水击现象。同 时，由于工作室内水压的升高，阀门b被高压水顶开，工作室内经 压缩的高压水经阀b处流入空气室，再由空气室流入出水管道，把 水送往高处。随后空气室内的水的压强下降，阀b在其自重作用下 下落将出口关闭，而阀门a在弹簧的作用下下落，又打开出水口， 水重新市工作室向外流出。如此步骤重新开始，

7、并周而复始，不断地、 间歇性地将水送到高处。理论上当阀门a 一经启动，水锤泵便可以 自动地进行工作。应该指出，中压来流中只有一小部分水量q能够被升高到h的 压力，而沿着进水管道流来的水量q,大部分是通过阀门a流到外 面，变成低压（或无压）水。q的大小取决于h,很明显h越大q越 小。在现场应用中一般说来h比h大得多，但h （极限扬程）取决于 锤击阀a出口到水源水面的高度h和来流水量q,还取决于水锤泵 自身的摩阻和空气室水面压力的大小。如果单从进水流量q与高压岀水流量q之比，或能量效率比来 看，其工作效率偏低，但水锤泵利用的是河（溪）水或其它循环水系 统回排水中保有的残余压力的水，不需专门供给动力

8、或能量。而且由 于水锤泵通过夜以继日地不停工作，它既可满足使用地点的高水头用 水需求，又可节省大量的动力资源，故仍不失为一种节能的好流体机 械设备。不过水锤泵仍具有自身不可避免的缺点：、只能间歇性地 供水、工作时机械噪声大、两只阀门极容易损坏。这也就导致了 该产品难以推广应用和难以继续沿袭的结局。这一传统科技成果要想 重新焕发青春，唯一的办法是对英进行突破性改造与革新。水波泵设计的流体力学原理本设计中的水波泵由内外两只圆 筒组成，其间用数十片槽栅隔离，两端各有一端盖。其中一只端盖为 中压来流入口，另一端盖分别有高、低压力水流出口，见图2其基于 水锤泵的流体力学原理，并根据水锤泵与气波增压器的工

9、作原理来研 制的，引用气波增压器的工作原理，我们将水波泵设计为几组循环， 每组循环具有1个中压进水口，1个高压出水口，1个低压出水口系 统，并使进水口不断轮换地与高压和低压岀水口连接，其原理类似于 水锤泵的两只频繁开关的水阀。在物理平面上，流体流经这系统时 如图4所示，将经历4个阶段。下面我们从流体力学理论上进行分析 讨论：考虑到在水波泵体内，流水槽道必须随轮子转动，即还有一个 周向的速度分量，我们把流体的速度v分解为周向速度u和轴向相 对速度w的矢量和。对于非定常一维相对流动，其连续方程和运动方程分别为连续 方程运动方程对槽道内的流动进行水锤分析，连续方程可以刘英学， 等：水波泵研制的流体力

10、学理论与设计计算水波泵总体结构示意图表 示为当槽道是水平的情况下，径向速度w等于0,由于不考虑摩擦， 运动方程可简化为以水力高度h代替压强p , h=后，方程简化为引 入特征线理论，上两式可推导出对于进口边界条件，满足伯努利方程 其中a为水中的声速，主要取决于水中的空气体积含量，见图3.一般可根据具体情况，给定某一速度进行计算。再根据特征线理论，图4中的4个阶段，可以分别用对应图4 状态平面上4个点表示。当h给定：h再给定进口处的w和h含气 率对压力波波速的影响水波泵波图状态平面图m,若给定低压出口 2 的水头：h 2 mp,在根据图于是可以计算出进出口处的开口尺寸和 流量先给出管道长度l ,

11、由（3）式，w取相对流速，得应用力学 学报上述计算式各参数意义，。计算结果按文9的分析，水波泵的流体力学设计计算应由两 部分组成：1）平均半径上的一维非定常流计算（如上所述）2）径 向平衡的计算。本文暂限于讨论第一部分计算。当水波泵样机设计泵体长度为800mm,外径度，来流水头为10米，低压出口水头确定为01 5米。 波速a取空气体积含量为01 3时的400m/ s.此外，经过大量计算发现，水波泵高压出水口的相对速度w随 周向速度u增加而减小，而高压出口宽度和u成正比。所以，高压出 口流量存在一个极大值。在二次反射波形的前提下，确定转速分別为250rpm和300rpm 吋，有关设计计算参数。序

12、号符号意义序号符号意义轴向距离进口低压出口距离周向 速度低压出口宽度轴向相对速度进口宽度旋转角速度高压出口宽度 状态点4槽高m （径向中点）处的压力低压出口角度时间进口角度水 中的声速高压出口角度槽道长度低压出口流量二次反射波转速分别 为250rpm和300rpm时水波泵设计参数表设计参数代码单位进口压 力水头出口相对速度进口相对速度进口压力水头出口相对速度滞止 水头高压水头高压相对速度低压岀口流量进口流量高压出口流量米 米/秒米米/秒米米/秒米/时米/时米/时以上均为来流自身产生一个分 速度来驱动水波泵的转子旋转，在研制初期的产品，计划由外界提供 能量克服转了摩擦。结论经流体力学理论分析研究

13、、计算和设计的水波泵，是传统 的水锤泵、气波增压器与水轮泵工作原理与功能的综合与优化，它既 不象气波增压器那样需要提供一个高压动力源，也同时避免了水轮泵 必须通过两次能量的转换，所造成的效率比较低的缺点，更不存在水 锤泵中依赖频繁开关产生冲击和噪声的两只水阀，并可实现连续性供 应高水头的水流。它是一种不需要施加动力，却又能够充分开发、利 用自然水力资源的能量或工业与民用水循环系统废弃能量的水力机 械装置。通过合理利用水波动力的作用，对来流水的总体能量进行重 新分配，即将来流水中的能量集中起来，进行二次分配，使一部分来 流水具有所需的高压力，而其余的来流水压头下降，完全脱离了传统 水泵的工作原理与运行方式，为国内、外首创。其技术具有新颖性、 先进性和独特性。本文仅限于平均半径上的一维非定常流计算和流体力学理论 讨论，有关水波泵运行时的径向平衡计算等问题，仍必须进一步深化 研究，并在另文中专题讨论。刘英学，等：